工程材料课件第六章合金钢.ppt

第六章 合金钢,第一节 概 述 合金钢：为提高钢的机械性能、工艺性能或物化性能，在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素（Me）而形成新的合金，这种合金称为合金钢合金钢的选用是由对一些构件的要求而定的 碳钢：价格低，便于获得，可在一定范围满足产品要求 但它淬透性差，回火抗力（稳定性）差（T↑，HRC↓很快） 另外：碳钢不能满足特殊性能要求 如：低温、高温、腐蚀性环境下工作的产品 高交变应力下工件的机器零件 高磁性（变压器）无磁性（仪表）等产品 它们都要采用合金钢制造2、形成合金渗碳体或合金碳化物 碳化物形成元素：凡能与碳化合的元素都称为碳化物形成元素如：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Zr、Ti与碳的亲和力依次增强常用的合金元素有：铬(Cr)、镍(Ni)、锰(Mn)、硅(Si)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、钴(Co)、铝(Al)、铜(Cu)、铌(Nb)、锆(Zr)、硼(B)、稀土（Re）等一、合金元素的存在形式 1、形成固溶体－合金铁素体 非碳化物形成元素：不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素，如：Ni 、Si、Al、 Co、Cu 、等。

一种是形成新类型的特殊碳化物: （如NbC、 ZrC、 TiC等） 产生固溶强化 :合金元素溶于铁素体时引起晶格畸变，合金元素含量越多，铁素体晶格畸变越严重，其硬度、强度越高溶解于F形成合金铁素体 溶解于Fe3C形成合金渗碳体 (Fe,Me)3C,二、合金元素的主要作用 （一）合金元素对钢中基本相的影响,合金元素在钢中可以两种形式存在,一种是溶解于碳钢中原有的相中,产生弥散强化作用：当合金元素与碳化合形成特殊碳化物，它们的结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，以细小的质点分布在固溶体基体上，其强度得以提高二）合金元素对 Fe—Fe3C相图的影响,1、γ区的变化：,扩大γ区元素 ：Mn、Ni、Cu、Co、C和N元素缩小γ区元素 ：Cr、V、Mo、W、Ti 缩小γ区的元素，能使A3和A1点升高当A3、Al点趋近重合时，γ区消失，从而使合金在高温、室温都为稳定的铁素体组织，得到单相铁素体钢合金元素对共析温度A1的影响,2、临界点改变,扩大γ区的元素，能使A3和A1点降低 当A3和A1点降低到室温以下时，从而使合金在高温、室温都为稳定的奥氏体组织，得到单相奥氏体钢2、S点左移：碳素钢S点的含碳量为0.77％。

由于合金元素的影响合金钢S点左移， 故S点含碳量小于0.77％ 如4Cr13含碳量为0.4％，当加入铬其含量达到13％时，其S点降低到0.3％C，而成为过共析钢3、E点左移：碳素钢E点碳含量为2.11％由于合金元素作用，合金钢E点的含碳量小于2.11％，如W18Cr4V高速钢含碳０.７－０.８％，但由于W、V、Cr使E点左移（低于０.７％C），使合金钢中可出现共晶莱氏体组织合金元素对共析点含碳量的影响,（2）热处理时对奥氏体的晶粒大小的影响 强烈阻止晶粒长大的元素： V， Ti， Nb， Zr 中等影响的元素： W，Mo，Cr 影响不大的元素： Si， Ni， Cu 促进晶粒长大的元素： C，Mn， P,（三）对热处理过程的影响,合金元素对奥氏体的形成、过冷奥氏体的分解、淬火马氏 体回火转变三个基本相变过程都有影响1、合金元素对加热时奥氏体形成过程的影响：,（1 ）改变奥氏体形成的速度 加速奥氏体形成速度：非碳化物形成元素Co、Ni等 减慢奥氏体形成速度：强碳化物形成元素Cr、Mo、 W、 V等， 不影响奥氏体形成速度：Al， Si， Mn等 。

2．合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响 （1）、对钢的 C-曲线 的影响 几乎所有融入A的合金元素（除Co外）都使C曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变产物的形成速度提高钢的淬透性 非碳化物形成元素，只使 C曲线右移，但不改变 C曲线的形状，如图中(b)所示 碳化物形成元素，不仅使 C曲线右移，而且还改变C曲线的形状，如图中(c)所示结果都是提高了钢的淬透性钢中最常采用的提高淬透性的元素有： Cr、 Mn、 Si、 Ni、 B 前四种元素，可以相当大量地溶入钢中； 硼的加入量很小(0.008—0.0025％) 钢中最常采用的细化晶粒的元素有： Ti、V、Nb、Zr,合金元素对1.0％C碳钢的Ms点的影响,合金元素对1.0％C碳钢1150℃淬火后残余奥氏体量的影响,（2）合金元素对马氏体转变温度的影响 除Co、 Al以外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降 因此在相同的含碳量下，合金钢中残余奥氏体比碳钢中的多.,3.合金元素对回火过程的影响 （1）提高了钢的回火稳定性 许多合金元素都可使回火过程中各个转变的速度大大减慢，并将其推向更高温度 回火稳定性：钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。

合金钢与相同碳量的碳钢相比，在相同的回火温度下具有更高硬度右图表示在0.35％C碳钢中加入不同量的钼，经淬火后回火时的转化情况可以明显看出，合金钢的软化速度比碳钢低的多提高钢的回火稳定性的作用较强的合金元素有： V，Si， Mo， W， Cr，Ni， Mn， Co0.35％C的Mo钢中Mo含量对回火硬度的影响,（2）二次硬化和二次淬火 二次硬化：在一些含W、Mo、V较多的钢中，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某一回火后，硬度反而增加这种在一定温度下硬度出现峰值的现象称为二次硬化见下图）,原因 ：温度高于450 °C时，细小的合金碳化物弥散析出，使得回火硬度重新上升由于这种合金碳化物中的合金元素在更低回火温度下扩散困难所至3）对回火脆性的影响 回火脆性：在淬火并回火后，出现韧性下降的现象，称为回火脆性 第一类回火脆性：在250-400℃回火出现 ， (也称低温回火脆性)，即钢回火后快冷、慢冷和重复回火，都不能消除脆性，是不可逆回火脆性二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体使硬度升高的现象称为二次淬火在高速钢和高铬钢中常出现二次淬火现象） 原因：高合金钢在淬火后存在较多的残余奥氏体（可达10-30%），当这些钢在500-600℃回火时，可以析出合金碳化物，导致残余奥氏体中的合金元素含量下降，使得Ms温度升高到室温以上，在随后的冷却过程中残余奥氏体转变成马氏体而使钢的硬度升高。

产生 原因： 一般认为是由于马氏体分解时在其晶界析出碳化物薄膜，增加了脆断倾向防止方法：A、不在此回火温度范围回火 B、加入Me（如Si、Cr、Mn ），改变回火的温度区间第二类回火脆 ： 在 500-650℃温度回火时出现的回火脆性，也高温回火脆重新加热后快冷即可消除，所以是可逆的产生原因：主要是由于在钢中的合金元素铬、镍及杂质元素硫磷等向原奥氏体晶界偏聚有关，增加了脆断倾向 防止方法： A、回火后快速冷却抑制第二类回火脆性 B、钢中加入一些 W、Mo 能有效地阻止杂质元素在晶界的析出，从而可抑制第二类回火脆当工件尺寸较大时,因为回火后很难快冷低合金结构钢 渗碳钢 合金结构钢: 调质钢 弹簧钢 轴承钢 易切削钢刃具钢 合金工具钢: 模具钢 量具钢,不锈钢 特殊钢： 耐热钢 耐磨钢 磁钢等,三、合金钢的分类与编号,合金钢,,合金结构钢 合金工具钢 特 殊 钢,1、合金钢的分类,,,,12CrNi3: 合金结构钢 C＝0.12％，Cr＜1.5％ ,Ni≈3％ CrWMn: 合金工具钢 含碳≥1％（当含碳量大于1%时一般 不标注），含Cr、 W、 Mn均小于 1.5％。

40CrNiMoA: 高级优质合金结构钠 C≈0.4％，Cr、 Ni、 Mo 均小于1.5％2、合金钢的编号 字母 + 数字 + 化学元素符号 + 数字 + 字母,表示某些 专门用途 钢例如 “G”、“Y” 或无,表示含 碳量以 万分之一 或千分之一 为单位 或无,合金 元素,合金元素 的名义 百分含量 或无,冶金 质量 “A”或 “E”,例 如：,第二节 合金结构钢 一、低合金结构钢,3、 钢号、成分及作用 常用钢号 16Mn 16MnNb 15MnTi 15MnV 含碳量 碳含量一般不超过0.2％ 主要作用 是保证有较好的韧性、焊接性能和冷成型性能1、主要用途 车辆(底盘大梁）、船舶、桥梁、高压容器、输油管道、大型钢结构,2、性能要求 强度高并有足够的塑性和韧性，同时具有良好的焊接性能和冷变形能力合金元素 以Mn为主(国外以Cr、 Ni为主)，最高含锰量可达1.8％，并辅助加以少量的V、 Ti、 Mo、Nb、 B等元素其主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度与韧性都得到改善；加入少量的 P、 Cu元素是为了提高钢对大气的腐蚀抗力，但P和Cu的含量都不能高，否则将引起钢的脆性。

4、热处理 及组织 在热轧状态下直接使用，一般不进行热处理组织为铁素体加珠光体5、机械性能和加工性能 （1）强度高 屈服强度在300-400MPa，普通碳素钢是240－260MPa （2） 塑性和韧性好 并且要求有低的韧脆转变温度 （3）良好的焊接性能与冷成型性能 （4）良好的耐蚀性,二、渗碳钢 1、主要用途 汽车拖拉机传动齿轮、坦克飞机传动齿轮、机床齿轮、 活塞销、涡轮蜗杆等2、性能要求： （1）经渗碳、热处理后渗碳层应具有优异的的耐磨性、疲劳抗力及适当的塑性和韧性；心部应获得足够的强度及优良的韧性 （2）应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能，在渗碳温度（900-950℃）下奥氏体晶粒不易明显长大，并且有良好的淬透性3、钢号、成分及作用 常用钢号： 20CrMnTi、 20Cr、 12Cr2Ni4A,含碳量： 成分特点是含碳量低，一般为0.1-0.25％ 合金元素：渗碳钢中常加入 Mn(＜2％）、 Cr(＜2 ％)Ni(＜4.5％)和 B (0.001—0.004％)，主要作用是提高淬透性，改善心部的组织与性能，并增加渗碳层的强度和韧性； V、 Ti、 W、 Mo等，主要目的是阻止A晶粒长大，细化晶粒。

并形成细小弥散的碳化物以增加强韧性和耐磨性4、渗碳工艺、热处理及组织 渗碳钢的渗碳工艺 一般是加热到900-950℃，根据工件渗层的要求渗碳一定时间， 一般为6-8小时 热处理 淬火：可采用预冷直接淬火，一次淬火和二次淬火采用的淬火方法决定于钢中的合金元素量和对性能的要求 低温回火一般在180-200℃ 1-2小时组织： 渗碳后缓慢冷却的平衡组织：表面为过共析组织P+Fe3CII,心部则为原始的亚共析组织F+P 渗碳后淬火+低温回火的组织： 表层：M回+点状碳化物+少量A’ HRC 58-60 心部：低碳回火马氏体+F+S HRC 30-50,20CrMnTi钢渗碳齿轮热处理工艺曲线,渗碳钢热处理后的强度主要取决于钢的淬透性按强度高低，合金渗碳钢可分为三类：,5、渗碳钢的性能 渗碳钢经渗碳－淬火－低温回火后，表层硬度高、耐磨，心部有很高的韧性1）低淬透性合金渗碳钢 水中淬透直径＜ 35mm，σb为800-1000MPa 如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等 这类钢淬透性低，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低，强度与韧性配合较差 这类钢只可用作受力不太大，不需要高强度的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。

这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢2．中淬透性合金渗碳钢 油中淬透直径为25-60mm，σb为1000-1200MPa 。